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分類號————————————————————————密級
UDC
本 科 畢 業(yè) 設 計
網(wǎng)球自動撿球機設計
學生姓名 姜杰 學號 080242011013
指導教師 謝迎春
院、系、中心 工程學院機電工程系
專業(yè)年級 機械設計制造及其自動化2011級
論文答辯日期 2015 年 6 月 4 日
中 國 海 洋 大 學
7
網(wǎng)球自動撿球機設計
完成日期：
指導教師簽字：
答辯小組成員簽字：
摘 要
隨著網(wǎng)球運動的不斷普及，越來越多的網(wǎng)球愛好者開始投身于網(wǎng)球鍛煉中來，而在網(wǎng)球訓練時，網(wǎng)球的使用量非常大，頻繁撿起隨機散落在很大范圍內(nèi)的網(wǎng)球是一件耗時耗力的工作，且不是每個人都能像專業(yè)網(wǎng)球運動員一樣擁有屬于自己的球童，因此高效的自動撿球機會為訓練者們提供便利，節(jié)省時間。本課題研究目的在于設計一款網(wǎng)球自動撿球機，使其具有高效和不遺漏的特點，并盡可能解決卡球、傷球的問題。本次設計完成了撿球機機械系統(tǒng)運動方案設計，零部件的設計計算和分析，以及三維圖和二維圖紙的繪制，最終完成了網(wǎng)球自動撿球機的整體機構(gòu)的設計。
關(guān)鍵詞：撿球機構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
Abstract
With the continuous popularization of tennis，a growing number of tennis enthusiasts begin to come into tennis exercise。And in the tennis training，the usage of tennis ball is very large，it’s a time-consuming and effort-consuming work to frequently pick up the tennis balls which are scattered in a wide range，but not everyone could have their own caddie just like the professional tennis players，so high-efficiency automatic tennis ball pick-up machine will provide convenience for the trainers，and save time。The main purpose of the topic is to design a kind of automatic tennis ball pick-up machine which has the characteristics of high efficiency and not missing，and solve the problem of ball stuck and damage。This topic deals with kinematic precept design，calculation and analysis of components and parts，and three-dimensional diagram and two-dimensional drawing，finally finish design of the automatic tennis ball pick-up machine。
Keys：Agency to pick up the ball；Driving system；Control system
目 錄
1 緒論 1
1.1課題的研究背景 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3本章小結(jié) 4
2 總體方案設計 5
2.1設計要求 5
2.2關(guān)鍵問題 5
2.3方案的選擇和確定 5
2.4整體方案三維圖 7
2.5本章小結(jié) 8
3 機械結(jié)構(gòu)及零部件的設計與校核 9
3.1撿球籃的尺寸 9
3.2撿球機行走速度的計算 10
3.3同步帶的設計 11
3.4球道的設計 12
3.5撿球機同步帶電機的選擇 13
3.6同步帶軸的設計與校核 15
3.6.1求軸上的功率P1、轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1 15
3.6.2初步確定軸的最小直徑 16
3.6.3軸的結(jié)構(gòu)設計 16
3.6.4計算軸上的載荷 18
3.6.5按照彎扭合成應力校核軸的強度 19
3.7車輪的選擇 19
3.8驅(qū)動原動機的選擇 19
3.9車輪軸的設計與校核 21
3.9.1確定軸的最小直徑 21
3.9.2軸的結(jié)構(gòu)設計 21
3.9.3軸的校核 22
3.10本章小結(jié) 23
4 自動控制系統(tǒng)設計 24
4.1行進方案的確定 24
4.2 單片機的選用 24
4.3本章小結(jié) 25
總結(jié)與展望 26
總結(jié) 26
展望 26
參考文獻 27
致謝 29
1 緒論
1 緒論
1.1課題的研究背景
根據(jù)國際機器人聯(lián)合會（International Federation of Robotics, IFR）2014年發(fā)布的服務機器人研究報告，2013年個人和家用服務機器人的銷量在全球范圍內(nèi)大約為四百萬臺，相比2012年同比增長28%，粗略統(tǒng)計市場規(guī)模約為17億美元，據(jù)估計，未來2014到2017年之間將會有3100萬臺個人服務機器人售出[1]。這也就意味著在服務機器人領域?qū)谐掷m(xù)而強勁的增長，服務機器人將越來越多的走進人們?nèi)粘Ｉ町斨小?
根據(jù)中國網(wǎng)球協(xié)會官方最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計，到2008 年，憑借著鄭潔溫網(wǎng)殺入四強和李娜的奧運會四強，國人網(wǎng)球熱情空前高漲。據(jù)統(tǒng)計，目前中國網(wǎng)球人口現(xiàn)已經(jīng)突破900 萬。而隨著李娜在法網(wǎng)和澳網(wǎng)奪冠，國際女子職業(yè)網(wǎng)聯(lián)（WTA，Women's Tennis Association）官網(wǎng)甚至認為，李娜的大滿貫冠軍將為中國增加3億網(wǎng)球人口[2]。
網(wǎng)球作為世界第二大球類運動，正在受到越來越多人的關(guān)注和喜愛，網(wǎng)球愛好者在進行網(wǎng)球訓練過程中，網(wǎng)球的使用數(shù)量巨大，短時間內(nèi)需要頻繁撿起散落在很大范圍內(nèi)的網(wǎng)球是一件耗時耗力的工作，而每個人不會像專業(yè)運動員一樣擁有自己的球童，因此網(wǎng)球訓練亟需自動撿球機器人來輔助，為每位網(wǎng)球愛好者提供便利，節(jié)省時間。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前市場上的網(wǎng)球撿球機構(gòu)比較少，較為經(jīng)濟、方便的網(wǎng)球撿球機構(gòu)大多以人工操作為主。
網(wǎng)球筐是目前市場上最為常見的產(chǎn)品方案，如圖1-1，1-2所示，其工作原理很簡單，用力下壓將球擠進球籃里，球籃網(wǎng)格的尺寸相比網(wǎng)球略小，保證網(wǎng)球進入球籃之后不會掉落，同時在不撿球時，可以將支架倒轉(zhuǎn)使其站立，輔助網(wǎng)球訓練，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格便宜。
圖1-1 網(wǎng)球籃
圖1-2 網(wǎng)球籃
另外一種與網(wǎng)球籃的工作原理比較相似的網(wǎng)球撿球機構(gòu)是網(wǎng)球筒，如圖1-3、1-4所示[3]，其結(jié)構(gòu)相比網(wǎng)球籃更加簡單，主要由球筒、手柄和收球部分組成。擠壓將球收進球筒之后，單向通過的收球裝置，保證網(wǎng)球不會掉落。
圖1-4 網(wǎng)球筒
圖1-3 網(wǎng)球筒
以上兩種撿球機構(gòu)的主要優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，造價低，使用方便，但也存在較多的缺點，撿球過程中對網(wǎng)球的損傷較大，且容易卡球，需要人工尋找并對準網(wǎng)球，效率低，且一次只能撿一個球，同時網(wǎng)球筒一次撿球數(shù)量很小，當網(wǎng)球數(shù)量較多時，撿球難度會大大增加。
綜合來看，網(wǎng)球籃和網(wǎng)球筒相對比較原始，由于成本低，適用于網(wǎng)球較少的訓練場景，但是與今后網(wǎng)球撿球機構(gòu)的發(fā)展趨勢不符，具有明顯的局限性。
目前市場上還出現(xiàn)了一類手推式網(wǎng)球撿球車，如圖1-5所示。這種撿球機的主要特點是：可伸縮球籃架，可循環(huán)換籃，拾球數(shù)量沒有限制；輪子采用高級耐磨PU材料，不傷網(wǎng)球場；撿球直徑可以達到100cm[4]。
其主要工作原理是人推動小車前進，球順著球道進入輪子之間，輪子的摩擦力將球夾住，帶入球籃之中，這種撿球車頁存在不少的缺點：需要人工操作，撿球過程容易對球產(chǎn)生損傷，且價格偏高，普通人消費不起。
圖1-5 波力網(wǎng)球撿球機SS-401
國外的與網(wǎng)球撿球機的研究也并不是很多，可以找到的研究基本都是設計專利，如圖1-6，1-7所示[5,6]。
圖1-6 國外網(wǎng)球撿球機專利
圖1-7 國外網(wǎng)球撿球機專利
其中，圖1-6是一款與網(wǎng)球籃相似的網(wǎng)球撿球機構(gòu)，使用時操作者握住手柄，推動撿球機前進，同時將球卡進中間的球籃，其結(jié)構(gòu)同樣簡單，但是效率低下，且容易漏球。
圖1-7是一款自動網(wǎng)球撿球機，這款網(wǎng)球撿球機基本實現(xiàn)了全自動撿網(wǎng)球，其主要撿球原理是：撿球機在前進過程中，網(wǎng)球累積在擋板上，擋板運動將球抬升進入后面的球筐里。這款網(wǎng)球撿球機存在著明顯的設計缺陷，因為在撿球過程中必然會出現(xiàn)網(wǎng)球停在擋板下方的情況，這會導致?lián)烨驒C被卡住的情況，進而造成電機燒毀等嚴重后果。
1.3本章小結(jié)
本章主要講述了文獻檢索之后的主要成果，對現(xiàn)有的撿球機機構(gòu)進行查閱、分析，對目前存在的撿球機主要工作原理有了比較詳細的了解，有助拓寬視野，發(fā)散思維，同時比較各種撿球方式的優(yōu)缺點，利于之后的撿球機構(gòu)的設計。
2 總體方案設計
2 總體方案設計
2.1設計要求
本課題的主要設計要求是設計一款高效的網(wǎng)球自動撿球機，盡可能解決同類產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的卡球和傷球現(xiàn)象，并使其具有無遺漏的特點。
其主要設計參數(shù)如表2-1所示
表2-1 設計參數(shù)表
項目
指標
1.一次撿球數(shù)量/個
>100
2.一次撿球周期/min
<10
3.撿球范圍/mm
>1000
2.2關(guān)鍵問題
（1） 撿球方式的選擇；
（2） 傳動方式的選擇；
（3） 行走速度分析；
（4） 球道數(shù)選擇。
2.3方案的選擇和確定
針對本課題，經(jīng)過一段時間的查找資料，參考現(xiàn)有的相關(guān)設計，首先提出的方案是利用智能機械手臂實現(xiàn)撿球動作，這種方案雖然原理簡單，但是實現(xiàn)起來比較困難，對系統(tǒng)控制的要求高，機械結(jié)構(gòu)的精度要求更高，且一次只能撿起一個球，效率很低，高額的成本也導致這種方案不適用于普通的網(wǎng)球訓練，因此機械手臂的方案得到否定。
其次提出的撿球機構(gòu)方案如下圖2-1所示，其主要原理為：撿球機采用后輪驅(qū)動的方式，兩個后輪分別用步進電機控制，便于控制車速，通過差速實現(xiàn)拐彎作業(yè)，前輪由輪軸連接，在撿球車前進過程中，后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)動，前輪軸上的同步帶，可以帶動扇葉轉(zhuǎn)動，扇葉轉(zhuǎn)動將到達車前的網(wǎng)球撥入后置的球籃里。
圖2-1 扇葉式撿球機構(gòu)原理圖
針對此方案，進行了初步的設計與計算，并繪制了三維圖，如圖2-2所示，手柄設計的出發(fā)點是手自一體化，首先設計的是手動式，因此起初設計時并沒有將后輪的步進電機加進去。
圖2-2 扇葉式撿球機
此設計方案，設計過程中，也發(fā)現(xiàn)不少問題：
（1）轉(zhuǎn)彎問題。起初在考慮后輪驅(qū)動，通過變速轉(zhuǎn)彎時，沒有考慮前輪的轉(zhuǎn)彎問題，由于兩個前輪通過一根輪軸連接，因此當后輪差速拐彎時，前輪沒辦法同時跟著后輪轉(zhuǎn)動，前輪的運動變成側(cè)向滑動，摩擦力大，輕則損傷車輪，重則無法拐彎燒毀電機。
（2）撿球數(shù)量問題。由于撿球機構(gòu)的限制，撿網(wǎng)球過程中網(wǎng)球的抬升高度無法很高，且為了提升裝球數(shù)量，不得不把球籃做成斜坡形式，導致后面球籃很小，可以裝球的數(shù)量無法達到預期的100個。且網(wǎng)球提升過程中由于斜坡短，提升速度較快，網(wǎng)球可能飛出去。
由于各種缺點，此方案也得到了否定。
最終，提出的設計方案如圖2-3所示，其主要工作原理為：由電機驅(qū)動，通過三個大小相同的同步帶帶輪帶動同步帶轉(zhuǎn)動，在撿球機前進過程中，同步帶上的撥板將網(wǎng)球沿斜坡送入后置的球籃之中。
4
3
5
2
1
圖2-3 同步帶加撥板原理圖
1—網(wǎng)球；2—球道；3—同步帶帶輪；4—撥板；5—同步帶
本方案的設計由方案二演變而來，兩個同步帶輪被三個同步帶輪所替換，帶撥板的同步帶替代了扇葉，使用電機帶動同步帶的主要目的是提高球道的高度，提高裝球數(shù)量。
相比前兩種方案，本方案的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)相對簡單，制造難度低；不會出現(xiàn)卡球、傷球的現(xiàn)象；可盛裝網(wǎng)球數(shù)量大，可以滿足撿球要求。
2.4整體方案三維圖
經(jīng)過不斷地設計計算，選取相應的標準零部件，并進行其余零部件的設計繪圖，最終得到撿球機的總體裝配圖如圖2-4所示。
從圖中可以看出，車身前面的小車輪加支架為撿球機的收集裝置，在撿球機前進過程中最大限度的收集網(wǎng)球，并將球引導進入球道，同時很好的避免了球在進入球道之前四處亂竄和不進入球道的問題，收集裝置前方的車輪主要起導向作用，同時支撐收集裝置支架，避免其發(fā)生形變。
圖2-4 整體方案三維建模
2.5本章小結(jié)
本章主要講述的是撿球機撿球方案的確定過程，經(jīng)過不斷地設計篩選，最終確定了一套相對合理，缺點少，易于實現(xiàn)的方案，為撿球機整體設計奠定了基礎。
3 機械結(jié)構(gòu)及零部件的設計與校核
3 機械結(jié)構(gòu)及零部件的設計與校核
3.1撿球籃的尺寸
根據(jù)設計參數(shù)要求：一次撿球數(shù)量>100個。按照標準網(wǎng)球的直徑要求65.41mm
100個，因此撿球籃的實際體積應該大于最大容積Vmax，參考球道以及撿球車整體機架結(jié)構(gòu)的設計，確定撿球筐的內(nèi)部容積基本尺寸為0.3×0.4×0.3m，分別為長，寬，高。
驗算撿球籃能否滿足一次撿球，可裝球100個以上，實際撿球籃的容積為
V=abh=0.3×0.4×0.3=0.036m3>0.0323m3 （3-3）
式中，V——撿球籃的實際容積，m3；
a——撿球籃的內(nèi)部長度，m；
b——撿球籃的內(nèi)部寬度，m；
h——撿球籃的內(nèi)部高度，m。
因此滿足條件，可以使用。
創(chuàng)建撿球籃的三維圖如圖3-1，3-2所示，其中圖3-1為撿球籃的整體三維圖，圖3-2為撿球籃頂部掛鉤特寫，考慮到撿球機撿球之后取球的便利，決定在撿球籃中放置球網(wǎng)，因此掛鉤的作用為固定球網(wǎng)，同時利于球網(wǎng)的取出。
圖3-2 撿球籃特寫
圖3-1 撿球籃三維圖
圖3-2 撿球籃特寫
圖3-1 撿球籃三維圖
3.2撿球機行走速度的計算
標準網(wǎng)球場地的尺寸如圖3-3所示，由圖中可以看出網(wǎng)球場的賽場尺寸23.77m×8.23m，而球場的總體尺寸為36.57m×18.27m，根據(jù)設計參數(shù)的要求一次撿球所需時間為10min，考慮到直線行走的速度會比轉(zhuǎn)彎時的速度快，所以可以假定撿球機覆蓋全場的直線距離行走時間為5min，按照設計參數(shù)要求，撿球機撿球范圍>1000mm，假定其所覆蓋的撿球范圍就是1000mm，則粗略估計撿球機的行走速度為：
v=bt×nl=18.275×60×36.571≈2.23m/s （3-4）
圖3-3 標準網(wǎng)球場地（單位：mm）
式中，v——撿球機的行走速度，m/s；
b——網(wǎng)球場地的寬度，m；
t——撿球機走完覆蓋全場直線距離所需時間，s；
n——網(wǎng)球場地的長度，m；
l——撿球機撿球的寬度，m。
考慮到實際情況，將撿球機的行走速度初步設定為2.3m/s。
3.3同步帶的設計
考慮到標準網(wǎng)球的最大直徑68.58mm，因此球道的寬度dd>68.58mm，根據(jù)《現(xiàn)代機械設計手冊（單行本）機械傳動設計》表1-89[7]，選取帶寬代號300，帶寬76.2mm，選取帶型H，查表1-87，得知同步帶的節(jié)距12.7mm，考慮到每秒鐘遇到的球的數(shù)量約為三個，三個球在同一個球道的概率雖然很小但是需要考慮，三個網(wǎng)球的最大的寬度為3×68.58mm=205.74mm，因此設定同步帶上撥板的距離為250mm，設定同步帶的帶速為250mm/s。
考慮到實際情況，本次設計選取的同步帶是三個大小相同的同步帶輪，按照要求帶輪齒數(shù)z>zmin（帶輪最小齒數(shù)），參照表1-92，假定帶輪轉(zhuǎn)速n1<900r/min,得知H型帶的最低齒數(shù)要求為14，而在帶速和安裝尺寸允許的情況下，帶輪齒數(shù)可以盡可能選取較大值，因此參照表1-104，選取帶輪齒z=20，節(jié)徑d=80.85mm，外徑d0=79.48mm。
驗算帶輪選擇是否合理，按照選定齒數(shù)進行計算轉(zhuǎn)速
n1=vπd=250×60π×80.85=59.09r/min<900r/min （3-5）
式中，n1——帶輪的轉(zhuǎn)速，r/min；
v——同步帶的帶速，mm/s；
d——同步帶帶輪的節(jié)徑，mm。
因此，選取的帶輪符合條件。
經(jīng)過計算可得，帶輪的小內(nèi)徑為15.90mm，大內(nèi)徑為31.79mm，小內(nèi)徑的深度為53.34mm，大內(nèi)徑的深度為22.86mm。
考慮到網(wǎng)球的最大直徑68.58mm，為了讓球能拖住網(wǎng)球，考慮到最理想的狀況，撥板的最小長度為網(wǎng)球的半徑34.29mm，考慮到可能存在三個網(wǎng)球同時在一條球道的情況，因此設定撥板的長度為l=100mm，撥板的厚度為5mm，寬度為76.2mm，設定最低同步帶帶輪高度為
h1>d2+l=80.852+100=140.43mm （3-6）
式中，h1——同步帶帶輪的高度，mm；
d——同步帶帶輪的節(jié)徑，mm；
l——同步帶撥板的長度，mm。
考慮到實際情況，同步帶帶厚等因素，取同步帶最低帶輪的高度為150mm。
3.4球道的設計
按照設計參數(shù)設定，一次撿球數(shù)量100個，假定網(wǎng)球練習者一次練習，發(fā)球數(shù)量100個，考慮到實際情況，網(wǎng)前和邊線處網(wǎng)球數(shù)量相對集中，在多數(shù)球過網(wǎng)的情況下，分布在邊線處的網(wǎng)球數(shù)量相對更高，因此假定邊線附近區(qū)域（2m×18.27m范圍內(nèi)）網(wǎng)球的數(shù)量為40個，網(wǎng)前（4m×18.27m）的數(shù)量為20個，其余40個網(wǎng)球隨機分布在網(wǎng)球場地的其他區(qū)域。設定網(wǎng)球撿球機的撿球?qū)挾葹?m，則撿球機在單位時間里遇到網(wǎng)球的數(shù)量為（按照網(wǎng)球最密集區(qū)域進行計算）
vn=nsAvd=402×18.27×2.3×1=2.52個/s （3-7）
式中，vn——撿球機在單位時間里遇到網(wǎng)球的數(shù)量，個/s；
ns——區(qū)域內(nèi)網(wǎng)球的數(shù)量，個；
A——該區(qū)域的面積，m2；
v——撿球機的行走速度，m/s；
d——撿球機的撿球?qū)挾?，m。
根據(jù)上式計算的結(jié)果，得到單位時間里撿球的個數(shù)，因此設定撿球機的球道數(shù)為3。
考慮到撥板的寬度為76.2mm，以及安裝偏差問題，設定球道的寬度為77mm，球道的高度設定主要與撿球籃的高度以及撿球機主體部分與地面高度相關(guān)，其相關(guān)的尺寸在二維圖紙有詳細表示，在這里不做贅述。
其最終的三維建模如圖3-4，3-5所示，其中圖3-4是球道的主體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3-5是球道的固定裝置的特寫，由于球道為懸空狀態(tài)，因此將其固定在撿球籃上，起到固定和支撐的作用。
圖3-5 球道特寫
圖3-5 球道特寫
圖3-4 球道三維圖
3.5撿球機同步帶電機的選擇
首先確定撿球機同步帶的負載，其只要負載特性如下：
①網(wǎng)球的重量。設計所得的球道的長度約為470mm，考慮到單個網(wǎng)球的最大直徑68.58mm，撥板的厚度5mm，以及撥板之間的距離250mm，因此同時最多存在兩個撥板在球道上方，球道上最多存在n1=6個網(wǎng)球，單個網(wǎng)球的最大重量m1=58.5g;
②同步帶的重量。同步帶型號H，采取最常用材料，其密度為ρ2=0.448kg/m，同步帶的總長l2=1464.64mm，同步帶的數(shù)量為n2=3條。同步帶上的撥板材料與同步帶材料相同，每條同步帶撥板的數(shù)量為n3=6個，因此撥板的總長度為l3=6×0.1×3=1.8m。
③同步帶輪的質(zhì)量。同步帶輪的材料是尼龍，使用SolidWorks軟件賦予模型尼龍材料，計算得到帶輪的重量為m4=373g/個，帶輪的個數(shù)為n4=9個。
根據(jù)公式計算同步帶的負載為
m=m1×n1+ρ2×l2×n2+ρ2×l3×n3+m4×n4=10.78Kg （3-8）
同步帶的速度為v=0.25m/s,因此可以求得電機的功率為
P=Fv=10.78×9.8×0.25=26.41W （3-9）
式中，P——電動機的有效功率，W；
F——電動機上作用的力，N；
v——電動機的線速度。
因此，電動機的總功率P0為
P0=Pη （3-10）
式中，η——電機的機械效率。
根據(jù)角速度和線速度的關(guān)系式v=ωr，推導得到帶輪的角速度為
ω=vr=0.2580.85÷2×10-3≈6.18rad/s （3-11）
式中，ω——同步帶帶輪的角速度，rad/s；
r——同步帶帶輪的節(jié)徑，m。
而同步帶帶輪的轉(zhuǎn)速為59.09r/min≈60r/min，假設帶輪在0.1s時間內(nèi)加速到60r/min的角速度，則可以計算得到軸的角加速度為
ε=?ω?t=6.18-00.1-0=61.8rad/s2 （3-12）
在這里可以將同步帶帶輪看成圓柱體，則可以計算得到扭矩為
M=Jε=mr22ε
式中，M——帶輪的扭矩，N·m；
J——帶輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；
ε——帶輪的角加速度，rad/s2。
由此可以得到每個帶輪的扭矩為
M1=mr22ε=0.373×0.04042522×61.8=0.019N·m （3-13）
帶輪的總扭矩為M=M1×3×3=0.019×3×3=0.171N·m
由上述計算結(jié)果可知，所選電機的基本參數(shù)需為：轉(zhuǎn)速60r/min，扭矩0.171N·m，經(jīng)過不斷地篩選，最終選定東莞市威邦機電有限公司生產(chǎn)的直流電機，所選電機的型號為：4D40-24，其主要參數(shù)如表3-1所示[8]
表3-1 直流電機主要參數(shù)
額定電壓/V
額定功率/W
空載轉(zhuǎn)速/(r/min)
空載電流/A
額定轉(zhuǎn)速/( r/min)
額定轉(zhuǎn)矩/(kg·cm)
額定電流/A
馬達重量/kg
24
40
3100
0.8
3000
1.3
2.1
1.8
齒輪箱的主要參數(shù)如表3-2所示
表3-2 齒輪箱參數(shù)表
減速比
3
3.6
5
6
7.5
9
10
12.5
輸出軸轉(zhuǎn)速
r/min
1033
861
620
517
413
344
310
248
允許力矩
N·m
0.30
0.36
0.50
0.60
0.75
0.90
1.00
1.25
kgf·cm
3.06
3.67
5.09
6.1
7.64
9.17
10.2
12.73
減速比
18
20
25
30
36
40
50
60
輸出軸轉(zhuǎn)速
r/min
172
155
124
103
86
78
62
52
允許力矩
N·m
1.80
2.00
2.25
2.70
3.24
3.60
4.50
4.48
kgf·cm
18.33
20.36
22.95
25.74
33.04
36.71
45.90
49.80
由上表可知，選擇減速比為50的齒輪箱。
電池的選擇，經(jīng)過市場調(diào)查，最終選定瑋孚24V，4Ah鋰電池[9]，其主要參數(shù)如表3-3所示
表3-3 電池主要參數(shù)
電壓容量
重量/kg
電壓范圍
24V 4Ah
0.7
20V-29.2V
電芯
放電接頭
充電接頭
18650動力鋰電芯
T型放電母頭
DC工業(yè)母頭
3.6同步帶軸的設計與校核
已知電機的功率為40w，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，經(jīng)齒輪箱減速后，額定轉(zhuǎn)速為62r/min。
3.6.1求軸上的功率P1、轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1
同步帶軸與電機通過聯(lián)軸器連接，其傳動效率為η=0.98，則
P1=P×η=40×0.98=39.2W （3-14）
已知轉(zhuǎn)速n1=62r/min，于是
T3=9550000×P1n1=9550000×0.039262≈6038.064N·mm （3-15）
3.6.2初步確定軸的最小直徑
根據(jù)公式，軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為
τT=TWT≈T0.2d3≤[τT] （3-16）
式中，τT——扭轉(zhuǎn)切應力，MPa；
T——軸所受到的扭矩，N·mm；
WT——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；
[τT]——許用扭轉(zhuǎn)切應力，MPa。
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)《機械設計》表15-3[10]，取A0=112，于是可以得到
dmin=A03P1n1=112×30.039262=9.61mm （3-17）
由于軸與軸承和聯(lián)軸器直接連接，因此軸的最小直徑為軸承與聯(lián)軸器的直徑，為了使所選的軸的直徑dI-II與聯(lián)軸器和軸承孔徑大小相適應，故需要同時選取聯(lián)軸器的型號。
聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT1，查《機械設計》表14-1，由于轉(zhuǎn)矩變化很小，故取KA=1.3，于是
Tca=KAT1=1.3×6038.064=7849.48N·mm （3-18）
按照規(guī)定，計算轉(zhuǎn)矩Tca應該小于聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩，根據(jù)所選的電機輸出軸徑12mm，查《現(xiàn)代機械設計手冊-軸及其連接件設計》表3-14[11]，選取GY1凸緣聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為25000N·m。聯(lián)軸器的孔徑dI=12mm，故取dI-II=12mm，聯(lián)軸器的外圍直徑為D=80mm，聯(lián)軸器與軸配合的轂孔的長度L1=32mm。
3.6.3軸的結(jié)構(gòu)設計
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)工藝性要求，軸的結(jié)構(gòu)越簡單越好，在滿足使用要求的前提下，盡可能地簡化軸的結(jié)構(gòu)。初定軸的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示
VII
VI
IV
I
II
V
III
圖3-6 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
（1）軸上零件的裝配方案
由于軸上的零件的選取均是根據(jù)實際情況來定的，同步帶輪的大小相同，考慮到帶輪的安裝問題，主要的軸向定位都是通過套筒實現(xiàn)。
（2）根據(jù)軸向定位的要求來確定軸的各段的直徑和長度
1）為了滿足聯(lián)軸器的軸向定位要求，故I-II的直徑dI-II=12mm，長度為LI-II=33mm；根據(jù)同步帶軸徑的大小15.9mm，軸承尺寸的限制，故II-III段無法做出軸肩，因此II-III段使用套筒進行軸向定位，其直徑大小為dII-III=12mm，其長度為（即套筒的長度）LII-III=21.4mm。
3）軸承的選擇。軸承主要受到徑向力的作用，故選用深溝球軸承，參照工作要求并根據(jù)dII-III=12mm，查《現(xiàn)代機械設計手冊-軸承》表5-2[12]，選取標準精度等級的深溝球軸承61801，其尺寸為d×D×B=12mm×21mm×5mm，最左側(cè)同樣選取深溝球軸承61801。
4）III-IV的長度主要由軸承端蓋，軸承，套筒的長度之和決定，軸承端蓋的厚度為5mm，軸承寬為5mm，套筒長18.1mm，因此LIII-IV=28.1mm，dIII-IV=12mm。
5）為了滿足同步帶輪的軸向定位要求，將IV-V段制出一軸肩，由于同步帶輪小徑為15.9mm，因此取dIV-V=20mm。
6）V-VI段的尺寸完全由同步帶輪的尺寸決定，根據(jù)同步帶帶輪小徑15.9mm，取dV-VI=15.9mm，由于球道寬度的限制，帶輪之間需要加厚墊片進行軸向定位，套筒的寬度為5.8mm，同步帶帶輪的寬度為76.2mm，因此V-VI段的長度為LV-VI=76.2×3+5.8×2=240.2mm。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
（3）軸上零件的周向定位
同步帶輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用普通平鍵連接。同步帶帶輪與軸配合的鍵的選取，查《現(xiàn)代機械設計手冊-連接件與緊固件》表3-4[13]，查得平鍵截面b×h=5mm×5mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長度為36mm，考慮到同步帶帶輪的安裝問題，同步帶輪與軸之間的配合采用間隙配合，配合公差為H7g6；聯(lián)軸器與軸的連接選取方法相同，選取的平鍵的尺寸4mm×4mm×22mm，鍵槽的長度為22mm，聯(lián)軸器與軸的配合采用過渡配合，配合公差為H7k6；滾動軸承與軸的周向定位通過過渡配合來實現(xiàn)，選取軸的直徑尺寸公差為m6。
（4）確定軸上的倒角尺寸
參照《機械設計》表15-2，取軸端倒角0.8mm。
3.6.4計算軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)，繪制軸的計算簡圖，由手冊查得深溝球軸承61801，a=2.5mm，因此作為簡支梁的軸的支撐跨距為L=342.7mm。根據(jù)軸的計算簡圖繪制出軸的彎矩圖和扭矩圖如圖3-7所示。
G
B
A
E
D
C
扭矩T
FNH2
FNH1
M
M
T
T
圖3-7 軸的載荷分析圖
從彎矩圖和扭矩圖可以看出截面C為軸的危險截面，計算得到截面C的彎矩和扭矩值列入表3-4。
表3-4 彎矩、扭矩計算值
載荷
數(shù)值
支反力F
F1=F2=12.06N
彎矩M
M=1033.24N·mm
扭矩T
T=283.78N·mm
3.6.5按照彎扭合成應力校核軸的強度
校核危險截面C的強度，根據(jù)《機械設計》式15-5以及上表的的數(shù)據(jù)，已知軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，因此取α=0.6，根據(jù)表15-4，危險截面是帶鍵槽的截面，因此
W=πd332-btd-t22d=π×15.9332-5×3×15.9-322×15.9≈315.94mm3 （3-19）
軸的計算應力為
σca=M2+(αT)2W=1033.242+(0.6×283.78)2315.94=3.31MPa （3-20）
所選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由《機械設計》表15-1,查得σ-1=60MPa,σca<[σ-1]，所以安全。
3.7車輪的選擇
本次設計的網(wǎng)球撿球機的驅(qū)動方式為后輪驅(qū)動，分別使用兩個步進電機進行控制，前輪采用兩只萬向輪進行導向。
前輪的萬向輪采用市場上最常見的普通萬向輪，經(jīng)過篩選，最終選取的是申牌3寸腳輪[14]，其主要參數(shù)如下表所示
表3-5 萬向輪參數(shù)
?輪子直徑mm：75（3寸）
? 輪面寬度mm：30
?安裝高度mm：108
?單輪承載 kg：105
?底板規(guī)格mm：92*64
?安裝孔距mm：75*45
?安裝孔徑mm：9
?輪子軸承：一體軸承
后輪的選擇，經(jīng)過一番市場篩選，最終決定選擇的輪子為PU發(fā)泡輪，由青島潤達專用車輛有限公司生產(chǎn)銷售的10寸PU發(fā)泡輪，型號10X3.50-4，材質(zhì)為聚氨酯，直徑250mm，質(zhì)量1kg[15]。
3.8驅(qū)動原動機的選擇
考慮到撿球機的轉(zhuǎn)彎問題，因此選定的電機必須是可以進行控制的，因此撿球機的驅(qū)動系統(tǒng)選擇的電機為步進電機。
電機軸的轉(zhuǎn)矩主要是車輪與地面的摩擦轉(zhuǎn)矩，摩擦轉(zhuǎn)矩主要與輪胎和地面的滾動摩擦系數(shù)以及整車的重量有關(guān)，查得輪胎與地面的滾動摩擦系數(shù)為μ=5mm，而整車的質(zhì)量主要包含撿球機構(gòu)、同步帶電機、支架（包括收集裝置）、電池、萬向輪、驅(qū)動輪、驅(qū)動電機以及100個網(wǎng)球等的質(zhì)量，假設步進電機的重量為2kg，則整車質(zhì)量為
m=10.78+1.8+8+0.7×3+0.105×2+1×2+2×2+0.057×100=34.59≈40kg （3-21）
整車的行進速度為v=2.3m/s，根據(jù)公式v=ωr，可以求得車輪轉(zhuǎn)動的角速度為
ω=vr=2.30.125=18.4rad/s （3-22）
進而求得轉(zhuǎn)速為
n=ω2π=18.4×602×π=175r/min （3-23）
則摩擦轉(zhuǎn)矩為
M=μm=0.005×40=2N·m （3-24）
考慮到其他損失的功率，取機械效率η=0.9，驅(qū)動電機的功率為
P=Mωη=2×18.40.9=40.89W （3-25）
經(jīng)過篩選，最終選擇常州康達通用電氣有限公司生產(chǎn)的86精密行星減速步進電機[16]，其主要工作環(huán)境如下表所示
表3-6 步進電機工作環(huán)境表
項目
規(guī)范
溫升
80℃ max
環(huán)境溫度
-20℃-+50℃
絕緣強度
100Ωmin，500V DC
介電強度
500V AC 1分鐘
回轉(zhuǎn)間隙
≤25acrmin
主要技術(shù)參數(shù)為
表3-7 步進電機工作參數(shù)表
電機型號
步距角/°
相電流/A
保持力矩/kg·cm
引線數(shù)/條
電機重量/kg
85-H250B99
1.8
4
65
4
3.5
因此減速比為5。
3.9車輪軸的設計與校核
已知步進電機的保持力矩為6.5N·m。
3.9.1確定軸的最小直徑
根據(jù)《機械設計手冊新編軟件版》，軸的最小直徑計算公式
dmin=35T[τT] （3-26）
式中，T——軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，N·mm；
[τ]——軸的許用剪應力。
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)《機械設計》表15-3，選取τT=35MPa，于是
dmin=35T[τT]=35×6.5×100035=9.76mm （3-27）
3.9.2軸的結(jié)構(gòu)設計
初步確定后車輪軸的結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。
VI
V
IV
III
II
I
圖3-8 后車輪軸結(jié)構(gòu)示意圖
（1）根據(jù)車輪的尺寸設計I-IV的直徑和長度
車輪孔徑為24mm，因此dI-III=24mm，車輪的軸向定位采用右側(cè)加螺母的方式，而周向定位采用平鍵連接，根據(jù)車輪的尺寸選取LII-III=84mm，查找《現(xiàn)代機械設計手冊-連接件與緊固件》表2-37，選取六角螺母C級（GB/T 41-2000）M24，其主要尺寸為mmax=22.3mm，因此選取LI-II=23mm，LI-III=107mm。
考慮到車輪的左側(cè)定位，III-IV段制出軸肩，其尺寸為dIII-IV=30mm，LIII-IV=5mm。
（2）聯(lián)軸器的選取
參照步進電機軸的尺寸，查找《機械設計手冊-軸及其連接件設計》表3-14，初步選取GY1凸緣聯(lián)軸器，其軸孔直徑為14mm，公稱轉(zhuǎn)矩為25000N·m，查《機械設計》表14-1，由于轉(zhuǎn)矩變化小，因此取KA=1.3,聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩為
Tca=KAT=1.3×6500=8450N·mm （3-28）
計算轉(zhuǎn)矩小于公稱轉(zhuǎn)矩，因此符合條件。
（3）設計IV-V段并選擇軸承座
根據(jù)經(jīng)驗設定dIV-V=25mm，進而選取軸承座，軸承座的孔徑為25mm。
（4）軸上零件的周向定位
車輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接，根據(jù)dII-III的尺寸，并查《現(xiàn)代機械設計手冊-連接件與緊固件》表3-4，選取平鍵的尺寸為b×h×L=8mm×7mm×36mm，鍵槽的長度為40mm，車輪與軸之間的配合采用間隙配合，配合公差為H7g6；聯(lián)軸器與軸的連接，選取平鍵尺寸為b×h×L=5mm×5mm×22mm，鍵槽長度為25mm，二者的配合為過渡配合，配合公差為H7k6；軸承座與軸的配合采用過度配合，其配合公差為H7m6。
（5）確定軸上倒角尺寸
查《機械設計》表15-2，取最左端倒角0.8×45°，另一個倒角1×45°。
3.9.3軸的校核
由于該軸受力比較簡單，因此采用UG進行有限元分析，軸上施加的力和約束如圖3-9所示
圖3-9 力和載荷示意圖
軸上施加的約束為圖中藍色線條，分別模擬的是軸承座和車輪的約束對軸的約束作用，施加的力為圖中的紅線箭頭部分，從左到右分別是6.5N·m的扭矩、200N的壓力（車身重量的一半）和-6.5N·m的反向扭矩。
經(jīng)處理后，得到的結(jié)果如下圖所示（變化趨勢有夸大效果）
圖3-10 最大位移
圖3-11 最大剪切應力
圖3-12 最大主應力
圖3-13 計算結(jié)果
由上圖可以看出，最大主應力為23.23MPa，最大剪切應力為16.54MPa，最大撓度為0.02019mm，以上三個數(shù)據(jù)均符合要求。
3.10本章小結(jié)
本章主要講述了撿球機各主要零部件的設計與校核，最大程度的確保了撿球機機械借結(jié)構(gòu)的可靠性，通過本章的計算，最終制作了撿球機的三維圖，并根據(jù)三維圖制作了對應的二維圖紙。
29
4 自動控制系統(tǒng)設計
4 自動控制系統(tǒng)設計
4.1行進方案的確定
考慮到撿球機撿球效率的問題，如果設計成，撿球機自動識別網(wǎng)球并進行自主撿球操作，勢必大大降低撿球機的撿球速度，影響撿球效率。因此，最好的解決方案是使撿球機定路線進行撿球。
考慮到網(wǎng)球的的布局以及網(wǎng)球的分布情況，網(wǎng)球場周邊的網(wǎng)球較多，因此撿球機首先需要圍繞球場撿球一周，剩下的路段由于網(wǎng)球分布比較稀疏，因此撿球機按照Z字型順序依次走完場地其余部分。
圖4-1 撿球機行進路線示意圖
路線示意圖如圖所4-1示，撿球機從右上角出發(fā)，沿邊線前進，達到球場另一邊界之后，為了順利轉(zhuǎn)彎并拾取邊界的網(wǎng)球，因此，撿球機需要后退一段距離，然后利用步進電機差速控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，到達球場另一邊界，依次循環(huán)，直到快要達到起點位置，接著，撿球機轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)拾取球場其他位置的網(wǎng)球，沿圖中所示路線，進行Z字型路線行進，拐彎位置與外圍撿球路線中的后退位置基本一致，直到達到球場對面邊界，完成一次撿球過程。
4.2 單片機的選用
單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用[17]。
單片機主要分為通用型/專用型，總線型/非總線型等。
單片機與我們生活的各個領域息息相關(guān)，大到導彈的導航裝置，飛機中各種儀表的控制，計算機中的網(wǎng)絡通訊及數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時監(jiān)控，小到各種智能IC卡，汽車的安全保護系統(tǒng)，錄像機、全自動洗衣機的控制，以及各種遙控玩具等等，都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。
單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活和使用方便等優(yōu)點，并且與步進電機的配合使用十分方便，因此本次設計中撿球機的控制部分主要使用單片機進行控制。
4.3本章小結(jié)
本章主要講述了撿球機撿球路線，以及控制系統(tǒng)的選用問題，實現(xiàn)了撿球機的智能化。
總結(jié)與展望
總結(jié)與展望
總結(jié)
本次設計是主要為了幫助網(wǎng)球訓練者在進行網(wǎng)球訓練過程中撿取網(wǎng)球，并能夠解決現(xiàn)有產(chǎn)品中卡球、傷球的問題，經(jīng)過不斷構(gòu)思、設計與改進，最終形成了一套結(jié)構(gòu)合理，容易實現(xiàn)的完整撿球機構(gòu)。并完成了三維模型的建造，相關(guān)零件的設計計算，主要零件的二維圖紙繪制等工作。
本次設計，對加深了專業(yè)知識的系統(tǒng)性認識，提高機械設計能力，加強自主學習能力，完善實踐能力，有著巨大的幫助。尤其在設計過程中，需要不斷進行鉆研、改進，對耐力和毅力的鍛煉更是有非常大的幫助。
展望
（1）實物制作。由于設計時間的限制，以及精力的原因，本次設計并沒有完成事物的制作，因此，有許多潛在的需要改進的地方無法得到考證，大部分設計只是停留在理論部分，希望今后可以有時間進行實物制作。
（2）控制部分的具體設計。由于工作量的問題，以及時間限制，本次設計并沒有完成控制部分的具體設計，只是具備了理論的撿球機撿球線路的設計，今后需要進行單片機相關(guān)知識的學習，并編寫相關(guān)程序。
（3）工作方式多樣化。本次設計出發(fā)點是實現(xiàn)撿球機手自動一體化的設計，目前只完成了自動撿球部分的設計，考慮到實際撿球情況，今后還需要加入手動控制，實現(xiàn)撿球機的更加便捷。
（4）自動避障功能。本次設計只是讓撿球機沿指定路線進行撿球運動，但實際情況中必然會出現(xiàn)差錯，因此加入自動避障系統(tǒng)可以在撿球機出現(xiàn)問題時避免其出現(xiàn)較大損傷。
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致謝
致謝
本次畢業(yè)設計能夠圓滿結(jié)束離不開大家的幫助，在這里感謝指導老師謝老師和劉老師的悉心指導，尤其是在課題初期方案確定時，老師的幫助彌足珍貴，同時感謝研究生們對我的幫助，大部分問題都是在他們的幫助下解決的，感謝他們能在繁忙中抽出時間對我提供幫助，另外還要感謝各種文獻資料的編寫者。